金屬切削過程的基本規(guī)律解析課件

1、第2章 金屬切削過程的基本規(guī)律第3講 刀具磨損、破損及耐用度機械制造技術(shù)基礎(chǔ)2022/10/151山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺目的要求掌握金屬切削過程的四大規(guī)律。1) 切屑的形成 牢固掌握切屑變形過程及表示變形程度的方法；掌握刀屑變形區(qū)的變形與摩擦規(guī)律；掌握影響切屑變形的因素；3）切削熱和切削溫度掌握切削熱的來源及傳出規(guī)律；掌握切削區(qū)的溫度分布規(guī)律；牢固掌握影響切削溫度的主要因素；2022/10/152山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺4)刀具磨損、破損牢固掌握刀具的磨損形態(tài)及刀具磨損的主要原因；牢固掌握刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及刀具耐用度的概念；掌握各切削參數(shù)與刀具耐用度的關(guān)系及合理耐用度的選擇原則；掌握刀具

2、破損形態(tài)及破損原因。2) 切削力掌握切削力的來源、切削合力、分力及切削功率牢固掌握影響切削力的主要因素；2022/10/153山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2.4 刀具磨損、破損及耐用度2022/10/154山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺刀具的損壞 (Failure) 形式：磨損 Wear：刀具在切削過程中將會被逐漸磨損。使切削力增大，切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動，因此影響已加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。破損 Fracture：有時刀具尚未磨損到須重新刃磨或更換新刀時會發(fā)生突然損壞而失效。也影響已加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。2022/10/155山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺刀具磨損與一般機械零件磨損相比的特點：與

3、前刀面接觸的切屑底面是活性很高的新鮮表面，不存在氧化膜等污染；前、后刀面上接觸壓力很高（23GPa）；接觸面上的溫度很高（8001200）；因此刀具損壞存在著機械、熱和化學(xué)作用以及摩擦、粘結(jié)、擴散等現(xiàn)象。2022/10/156山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺切削過程中，刀具前刀面與切屑、后刀面與加工表面存在著劇烈的摩擦，使之產(chǎn)生磨損現(xiàn)象。1. 前刀面磨損成因：切削塑性材料，切削厚度較大，前刀面承受巨大的壓力和摩擦力，而且溫度很高，使前刀面產(chǎn)生月牙洼磨損(Crater Wear)。2.4.1 刀具磨損的形態(tài)2022/10/157山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2022/10/158山東大學(xué)機械工程學(xué)院

4、李凱嶺月牙洼位于離切削刃有一定距離，其長度取決于切屑寬度，而其寬度決定于切屑厚度；隨切削進(jìn)行，月牙洼長度基本不變，寬度向切削刃擴大，深度逐漸加深。月牙洼磨損程度通常用月牙洼深度KT表示。刀具前刀面月牙洼磨損2022/10/159山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2. 后刀面磨損成因：切削過程中，后刀面與工件加工表面存在著壓力和摩擦，使之產(chǎn)生磨損。通常加工脆性材料或較小切削厚度切削塑性材料時主要發(fā)生后刀面磨損。由于切削刃各點工作條件不同，其后刀面磨損帶是不均勻的。 C區(qū)和N區(qū)(notch)磨損嚴(yán)重，其磨損帶最大寬度分別以 VC 和 VN 表示。中間磨損較均勻（B區(qū)），以平均磨損帶寬度 VB 表示，而最

5、大磨損寬度以 VBmax 表示。2022/10/1510山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺后刀面磨損2022/10/1511山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺3. 邊界磨損邊界磨損實際上屬于后刀面磨損的邊界部分。在主后刀面上，主切削刃與待加工表面對應(yīng)位置處的磨損；在副后刀面上，副切削刃與已加工表面對應(yīng)位置處的磨損。邊界磨損在后刀面磨損帶中最為嚴(yán)重。 2022/10/1512山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺邊界磨損在后刀面磨損帶中最為嚴(yán)重。原因： 邊界處屬切削刃受力（壓應(yīng)力和剪應(yīng)力）極限位置，存在很大的剪應(yīng)力（機械應(yīng)力） 邊界處屬于切削刃參與切削極限位置，存在很大的溫度梯度，引起很大的熱應(yīng)力 邊界處受到周圍介質(zhì)

6、（如切削液）中元素的作用加劇了磨損邊界處受到待加工表面硬皮或硬化層作用加劇了磨損。 2022/10/1513山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺刀具磨損主要原因刀具正常磨損機械作用、熱、化學(xué)綜合作用。硬質(zhì)點磨損（磨料磨損、磨粒磨損）粘結(jié)磨損擴散磨損2022/10/1514山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺1. 硬質(zhì)點磨損（磨料磨損、磨粒磨損）各種刀具都會產(chǎn)生硬質(zhì)點磨損；磨損量與切削路程成正比；硬質(zhì)點磨損是硬度較低的刀具材料或低速刀具，如高速鋼刀具及手工刀具等主要磨損原因。 原因：由工件材料中的硬質(zhì)點或積屑瘤碎片對刀具表面的機械劃傷，從而使刀具磨損。2022/10/1515山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺原因：刀

7、具與工件材料（或切屑）接觸面上，在壓力和溫度作用下，產(chǎn)生所謂的冷焊現(xiàn)象，粘結(jié)點因相對運動，晶?；蚓ЯＨ菏芗艋蚴芾粚Ψ綆ё叨斐傻哪p。粘結(jié)點的分離面通常在硬度較低的一方，即工件上。但刀具材料往往組織不均勻，存在內(nèi)應(yīng)力以及疲勞微裂紋等缺陷，分離面也會發(fā)生在刀具一方，造成刀具磨損。刀具與工件的粘結(jié)強度,與溫度有關(guān)；與兩種材料親和性有關(guān)。 2. 粘結(jié)磨損2022/10/1516山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺原因：刀具表面與被切出的新鮮表面相接觸，在高溫下，兩摩擦面的化學(xué)元素獲得足夠的能量，相互擴散，改變接觸面各方的化學(xué)成份，削弱了刀具材料性能，從而造成刀具的磨損。與化學(xué)成份有關(guān)；與溫度有關(guān)，擴散磨損

8、隨溫度升高而增加。與材料中化學(xué)元素活潑性有關(guān)。 3. 擴散磨損2022/10/1517山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺4. 化學(xué)磨損（或氧化磨損）原因：刀具與周圍介質(zhì)（如空氣中的氧、切削液中的極壓添加劑硫、氯等），在一定的溫度下起化學(xué)作用，在刀具表面形成硬度低、耐磨性差的化合物，加速刀具的磨損。化學(xué)磨損強度決定于：刀具材料中元素的化學(xué)穩(wěn)定性以及溫度的影響。 2022/10/1518山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺氧化磨損2022/10/1519山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺5. 熱電磨損 原因：刀具與工件材料在高溫下形成熱電勢，當(dāng)形成閉合回路時將有熱電流產(chǎn)生，在熱電流的作用下，加快了元素的擴散速度，使刀

9、具磨損加快。2022/10/1520山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺由于刀具材料、工件材料及切削條件不同，磨損原因不同，具體磨損原因可能屬于其中一種，也可能幾種原因同時作用。高速鋼與硬質(zhì)合金相比，硬度、耐熱性較差，高速鋼主要磨損原因是硬質(zhì)點、粘結(jié)磨損；硬質(zhì)合金刀具主要是擴散、粘結(jié)磨損或化學(xué)磨損。刀具磨損原因小結(jié)：2022/10/1521山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺磨損原因之間相互作用，熱電磨損促使擴散磨損加劇，擴散磨損又促使粘結(jié)、硬質(zhì)點磨損加劇。刀具磨損與溫度有至關(guān)重要的聯(lián)系。低溫（速）區(qū)，以機械磨損（硬質(zhì)點）為主；高溫（速）區(qū)，熱、化學(xué)磨損（粘結(jié)、擴散、氧化等）為主。刀具磨損原因小結(jié)：2022/

10、10/1522山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺刀具磨損強度與切削溫度的關(guān)系2022/10/1523山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1. 刀具磨損過程 刀具磨損過程分三個階段： 初期磨損、正常磨損和急劇磨損。2022/10/1524山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺（1）初期磨損階段刀具磨損率較大。主要是新刃磨的刀面較粗糙、使刀工接觸面小造成壓應(yīng)力大以及變質(zhì)層的影響。2022/10/1525山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺（2）正常磨損階段經(jīng)過初期磨損階段之后，刀面處于良好狀態(tài)，刀具后刀面磨損均勻而緩慢，切削時間較長。2022/10/1526山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺（3）急劇

11、磨損階段當(dāng)磨損帶寬度增加到一定限度之后，切削力與切削溫度迅速升高，磨損帶寬度急劇增加。 為合理使用刀具和保證加工質(zhì)量，應(yīng)在此階段之前及時更換刀具。 2022/10/1527山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2. 刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度不能繼續(xù)使用，這個磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 生產(chǎn)中怎樣判斷刀具是否達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)？粗加工時觀察切屑的顏色，加工表面是否出現(xiàn)擠壓亮帶、摩擦尖叫聲以及切削振動情況等；精加工時常以表面粗糙度及尺寸精度為依據(jù)判斷刀具是否達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。2022/10/1528山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺國際標(biāo)準(zhǔn)ISO統(tǒng)一規(guī)定以 1/2背吃刀量處后刀面磨損帶寬度VB作為刀具的磨鈍標(biāo)

12、準(zhǔn)。自動化生產(chǎn)中的精加工刀具常以工件徑向上刀具磨損尺寸做為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，稱為刀具徑向磨損量NB。2022/10/1529山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 推薦的車刀耐用度試驗?zāi)モg標(biāo)準(zhǔn)如下：高速鋼和陶瓷刀具，下列任何一種：（1）破損；（2）后刀面B區(qū)規(guī)則磨損，取 VB 0.3 mm；（3）后刀面B區(qū)內(nèi)無規(guī)則磨損、劃傷、剝落或有嚴(yán)重的溝痕，取 VBmax = 0.6 mm。 2022/10/1530山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺硬質(zhì)合金刀具，下列任一種：（1）VB 0. 3 mm；（2）后刀面無規(guī)則磨損，VB max = 0.6 mm；（3）前刀面磨損量KT0.060.3 f（進(jìn)給

13、量）。2022/10/1531山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2.4.4 刀具耐用度經(jīng)驗公式及其合理選擇1. 切削速度與刀具耐用度的關(guān)系刀具耐用度刀具刃磨后開始切削，一直到磨損量達(dá)到刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)過的凈切削時間，用T（s或min）表示。 2022/10/1532山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺在一定切削條件下，切削速度愈高，刀具耐用度愈低。原因：切削速度對切削溫度影響最大，對刀具磨損影響最大，故對刀具耐用度影響也最大。刀具耐用度經(jīng)驗公式及其合理選擇 2022/10/1533山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺現(xiàn)通過實驗方法求得 vT 關(guān)系：按ISO國際標(biāo)準(zhǔn)對單刃車刀耐用度試驗規(guī)定：當(dāng)切削刃磨損均勻時，取 V

14、B = 0.3 mm；如果磨損不均勻時，VB = 0.6 mm。固定其他條件，在常用速度范圍內(nèi)，取不同的切削速度v = vl，v2，v3，v4，進(jìn)行刀具磨損試驗，得到一組磨損曲線。按規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)于不同的v有相應(yīng)的 T = T1，T2，T3，T4。 2022/10/1534山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺刀具磨損曲線2022/10/1535山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺在雙對數(shù)坐標(biāo)中確定(vl，T1)、(v2，T2)、(v3，T3)、(v4，T4)各點，它們成線性。其方程為： log v = -m log T log Co 式中： m = tg，即該直線的斜率； Co為T=1s（或min）時的切

15、削速度值。 故： v Tm = Co此即為著名的泰勒(Taylor)公式。2022/10/1536山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺在對數(shù)坐標(biāo)上vT 曲線2022/10/1537山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺由圖，該直線斜率（m）愈小，說明 v 對 T 影響愈大，也就是說 v 稍微增加，使 T 下降很大，說明刀具材料耐磨性能差。如高速鋼刀具材料 m = 0.l0.125；硬質(zhì)合金 m=0.20.3；陶瓷刀具 m=0.4。 在較寬的切削速度范圍內(nèi)，特別在低速區(qū)內(nèi)，v-T 關(guān)系就不是單調(diào)函數(shù)。原因：積屑瘤現(xiàn)象影響刀具耐用度所致。2022/10/1538山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2. 進(jìn)給量和背吃刀量與刀

16、具耐用度的關(guān)系與 v-T 關(guān)系一樣進(jìn)行試驗，可得到 f-T、ap-T 關(guān)系，即 f Tm1 = C1 ap Tm2 C2 綜合式可得切削用量與刀具耐用度的一般關(guān)系：2022/10/1539山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺刀具耐用度經(jīng)驗公式及其合理選擇 令 x=1/m， y= 1/ml，z=1/m2，則式中 CT耐用度系數(shù)，與刀具、工件材料和切削條件有關(guān)x、y、z指數(shù)，分別表示切削用量對刀具耐用度影響的程度2022/10/1540山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺用 YT5硬質(zhì)合金車刀切削b=0.637GPa碳鋼時，（f0.7mm/r）切削用量與刀具耐用度的關(guān)系為：2022/10/1541山東大學(xué)機械工程

17、學(xué)院 李凱嶺可見：V 對T 的影響最大，其次是 f，最小的是 ap。切削用量對 T 的影響規(guī)律符合對 的影響規(guī)律。同時反映出切削溫度對刀具的磨損和耐用度有重要的影響。2022/10/1542山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺3. 合理耐用度的選擇選擇刀具耐用度的原則根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)確定的。優(yōu)化目標(biāo)：最大生產(chǎn)率、最低成本和最大利潤。2022/10/1543山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺(1)最大生產(chǎn)率耐用度（Tp）最大生產(chǎn)率是指工件(或工序)加工所用時間最短。最大生產(chǎn)率耐用度是指以工件(工序)加工生產(chǎn)率最大為原則確定的刀具耐用度。工序切削時間、換刀時間、其他輔助時間。 2022/10/1544山東大學(xué)機械工

18、程學(xué)院 李凱嶺(2)最低成本耐用度（Tc）最低成本耐用度是指以每個零件(或工序)加工費用最低為原則確定的刀具耐用度。選擇刀具耐用度時,當(dāng)需要完成緊急任務(wù)或產(chǎn)品供不應(yīng)求以及完成限制性工序時,可采用最大生產(chǎn)率耐用度;當(dāng)產(chǎn)品滯銷或在一般生產(chǎn)中,常采用最低成本耐用度。 2022/10/1545山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺 選擇耐用度時，復(fù)雜刀具，應(yīng)選高一些； 對刀、調(diào)刀復(fù)雜，應(yīng)選高一些； 加工大件的刀具，減少換刀次數(shù)，應(yīng)選擇高一些； 可轉(zhuǎn)位刀具（如陶瓷刀片），換刀時間短，為充分發(fā)揮其信念，應(yīng)低一些。2022/10/1546山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺(3)最大利潤耐用度(Tpr)按最低成本原則制定刀具

19、耐用度時，加工工時將長于最短工序工時;如果按最大生產(chǎn)率原則制定刀具耐用度時，則工序成本將高于最低成本。因此，有時為了兼顧兩方面的要求，提出最大利潤率耐用度，以獲得最大的利潤。2022/10/1547山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2.4.5 刀具破損( Fracture)刀具破損刀具在切削過程中尚未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)受到損壞而不能繼續(xù)使用。易破損情況：脆性大的刀具材料；進(jìn)行斷續(xù)切削；切削高硬度、高強度的工件。2022/10/1548山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺1. 破損分類 按切削時間分：早期、后期； 按刀具材料分：脆性、塑性。按破損機理（刀具材料）分:脆性破損陶瓷、硬質(zhì)合金等；塑性破損HSS為主、合金

20、工具鋼。2022/10/1549山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺按切削時間分早期破損后刀面尚未有明顯的磨損（VB0.1mm），或刀具沖擊次數(shù)（斷切）小于103次而破損。原因：刀具使用前有缺陷或切削條件不合理（惡劣）。后期破損經(jīng)過較長時間切削而破損。原因：刀具內(nèi)應(yīng)力致使產(chǎn)生裂紋并擴展，后刀面有一定磨損，使切削力增大，同時刀具內(nèi)部有缺陷的綜合作用。2022/10/1550山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2. 刀具的脆性破損(1)刀具脆性破損形態(tài)1)崩刃切削刃上產(chǎn)生小缺口，尺寸與 f 相當(dāng)，刀具能繼續(xù)使用屬早期輕度破損；高脆性刀具材料如陶瓷；缺口大不能使用。崩刃（YT5加工40Gr）2022/10/1551

21、山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺2) 剝落發(fā)生在前、后刀面上，方向平行切削刃。 與接觸面上的摩擦、壓力有關(guān)； 特別在產(chǎn)生積屑瘤、粘結(jié)、沖擊等情況下易發(fā)生； 脆性大的刀具材料。2022/10/1552山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺3) 碎斷切削刃上發(fā)生小塊碎裂或大塊碎裂而不能繼續(xù)正常使用。小塊碎裂可重磨再使用；大塊碎裂則不能繼續(xù)使用；原因：切削負(fù)荷過大、刀具缺陷或疲勞等。小塊碎裂 大塊碎裂2022/10/1553山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺4) 裂紋破損后期破損的一種。原因：機械疲勞裂紋（平行于切削刃）、熱疲勞裂紋（垂直于切削刃），裂紋不斷擴展又互相合并，引起碎裂。2022/10/1554山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺3. 刀具的塑性破損合金工具鋼和高速鋼刀具。原因：耐熱性低，切削溫度高，刀具表面材料產(chǎn)生塑性流動，喪失切削性能。硬質(zhì)合金刀具切削耐熱合金時也有塑性破損。原因：切削用量選擇不當(dāng)。塑性破損2022/10/1555山東大學(xué)機械工程學(xué)院 李凱嶺4. 刀具破損的原因(1)脆性破損的原因機械沖擊和熱沖擊以及積屑瘤與粘結(jié)作用。1) 機械應(yīng)力 機械載荷尤其時循環(huán)的機